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1.1 送風係統故障

由於有排風係統的強有力保障,在故障發生至人員安全撤離期間,雖然會出現很高的房間負壓,但始終可保證不出現生物安全櫃相對房間呈正壓或實驗房間正壓的情況。

1.2 各類風量及壓力傳感器故障

傳感器發生故障後,傳遞錯誤信號,會使得係統悖離設計者的意願運行,因此要求設計者、建設者熟悉各種傳感器的性能,選用性能匹配、質量穩定可靠的傳感器,其中傳感器的響應特性常常易被忽略,而使得調試結果偏離設計值,這是設計者尤其需要注意的。

1.3 排風係統故障

排風機或排風機變頻器的故障,對整個係統是致命的。所以生物安全實驗室的通風係統須設置備用排風機及備用排風機變頻器。但具體到細節,僅僅有備用排風機或變頻器還遠不夠。生物安全實驗室的高生物危害性要求白天實驗室工作狀態下不允許出現哪怕1s的實驗房間正壓和生物安全櫃相對於實驗房間呈正壓的情況。這給暖通及暖通自控係統設計提出了更高的要求,即,如何在排風機或排風變頻器故障時係統自動切換至備用排風機和備用排風變頻器過程中,確保實驗房間負壓及生物安全櫃相對房間呈負壓。

排風機變頻器的故障中最嚴重的是使排風機停機,將排風機故障或排風機變頻器故障引起的排風機停機統稱為排風係統停機故障。

下麵以某實驗室的P3級生物安全實驗室為例,對設計原則作一闡述。該工程采用PLC控製係統,僅有一個實驗室,實驗房間排風與生物安全櫃排風共用一個排風係統。

2.1 排風係統停機故障瞬間分析

首先,假設一個生物安全實驗室的暖通及暖通自控係統設計如下。

1)在排風係統發生停機故障、排風設備自動切換時,未采取任何避免房間出現正壓的措施。

2)排風係統故障信號采集是通常的做法,即,設置空氣流量開關,當排風管內的風量接近零時,流量開關向控製中心發出ON/OFF信號,報告排風係統出現停機故障。

基於上述假設,模擬生物安全實驗室發生排風係統停機故障的狀況,實驗記錄為:實驗房間在發生排風係統停機故障後約4s內出現房間正壓;控製中心感知排風係統停機故障在大約10s後。

該數據是本例的實測數據,不同工程會有差異,由此可知:

1)房間正壓是在故障發生後的極短時間內(約4s)出現的。主要原因是,對於生物安全實驗室,為保證房間負壓的送排風量差值(這裏的排風量指房間加實驗設備的總排風量)本來就很小,每h幾十至一二百m3左右,一旦出現排風係統停機故障,房間排風量在1～2s內就能減少一二百m3。所以雖然4s僅是針對本例一個實驗房間的測試數據,其他實驗室會有差異,但卻表明從排風係統故障到房間開始出現正壓的時間極其短暫。上述討論均是基於同一個前提,即,實驗室房間排風與實驗設備(如生物安全櫃)排風共用一個排風係統,雖然排風係統不共用時可能會在某一種故障狀況下測出幾十s才出現房間正壓的情況,但由於其係統劃分的致命缺陷,使得該種係統無法解決所有同類故障下消除正壓的安全運行問題[1]。

2)控製中心感知係統故障時間太長,主要原因是風機從停機至風量降至接近零,需經曆至少10s。這種停機時間是所有風機的固有特性,相對應的還有風機的另一個固有特性———開機時間,兩種時間長度基本接近。

2.2 避免房間出現正壓的設計思路

由上可知,要避免房間出現正壓,必須采取兩個步驟:

1)使控製中心以最快速度感知排風係統停機故障。

2)使控製中心及控製執行係統以最快速度采取措施避免房間正壓出現。

對於本例,上述兩個步驟必須在4s內完成。

2.3 避免房間出現正壓的技術措施

本例中采用了如下措施。

1)在排風總管上設計響應速度較快的風量傳感器,專門用於判斷排風係統停機故障,將判斷排風係統停機故障的排風量設定在一個較高的水平,既不至於使控製中心誤判故障,又能使控製中心在不到2s內感知排風係統停機故障。該風量傳感器不同於設計在排風總管上的另一個響應速度較慢、抗湍流性能更好的風量傳感器,後者主要用於實現前者無法兼顧的房間壓力穩定問題(關於在同一根排風總管上設計性能截然不同的兩個風量傳感器的做法,筆者擬另外撰文介紹)。

2)在送風係統總管上設計可完全關斷的電動蝶閥,該閥采用響應速度為115s的執行器,使得控製執行係統在不到2s內迅速切斷係統送風,以有效避免房間出現正壓。

另外,對於其他的措施,如盡快地減少送風量(包括采用送風機變頻控製)和利用定風量閥可否保證房間負壓,結論是否定的。如果把送風機變頻控製的速度無限加大,就相當於瞬間強製關斷送風機,但即使這樣,送風機必須經曆的停機時間無法滿足上述步驟2)對快速響應速度的要求。對於具有多種排風實驗設備的要求房間負壓的生物安全實驗室,在排風係統上采用的是變風量閥,在送風係統上采用定風量閥。定風量閥的作用是固定送風量,而不是快速減少送風量,所起的作用是正好相反的。上述兩種方式,筆者在調試過程中均作過試驗,測試結果證明是不可行的,在模擬排風係統停機故障時,房間迅速出現正壓。

經采取上述措施,在通過切斷電源模擬排風係統停機故障、排風設備自動切換時,完全避免了房間出現正壓。該工程2004年底通過了美國專業檢測機構對此內容的檢測。

需要補充的是,本工程調試實驗中觀察到,備用排風機在故障發生後2s左右接到控製中心指令瞬間開始啟動,在經曆了啟動時間之後,達到設定排風量。期間由於送風總管蝶閥同時關閉,房間需經曆一個負壓較大的狀態,之後送風總管蝶閥打開,係統還需要一個由振蕩至穩定的較長恢複時間,前後約需10～15min。在調試中發現,各實驗室特性不同,哪怕同一實驗室采用不同特性的風量傳感器,也會使得恢複時間不同,但這屬於自控調試範疇,可以不納入暖通設計理論探討。無論負壓較大還是震蕩都是排風係統停機故障、切換至備用排風係統的初期狀態,導致係統短時混亂,但自始至終沒有正壓出現,所以是滿足生物安全實驗室安全運行要求的。

對於DDC控製係統或多個實驗室的P3或P4級生物安全實驗室,可以采取同樣的設計原則。但需要注意暖通係統的劃分,即實驗室房間排風與實驗設備(如生物安全櫃)排風須共用一個排風係統,否則大大增加消除房間正壓的難度。該原則也適用於單個實驗室生物安全實驗室。